Fizyczne i mechaniczne właściwości drewna

Drewno – nieprzewidywalny materiał pochodzący z natury. Posiada różne kolory i wzory, zróżnicowaną strukturę i odmienne cechy. Z powodu braku wiedzy na temat właściwości drewna często dokonujemy wyboru wyłącznie na podstawie walorów estetycznych danego gatunku. Czy zatem głębsze poznanie charakterystyki danego gatunku rozwiązuje nasz problem? Nie do końca, gdyż drewno charakteryzuje się wieloma zróżnicowanymi parametrami, które zależą również od warunków wzrostu konkretnego drzewa, a także, w jaki sposób drewno jest przechowywane. Musimy mieć świadomość, że do każdego kawałka drewna powinniśmy podchodzić bardzo indywidualnie, wyposażeni przynajmniej w podstawowy zasób wiedzy i znajomość właściwości drewna, dzięki czemu materia ta stanie się dla nas łatwiejsza do rozszyfrowania. Unikniemy w ten sposób niepotrzebnych problemów i znacząco zwiększymy szansę na to, że praca będzie przyjemna, a efekt satysfakcjonujący.

Data publikacji: 29.09.2023r.

Budowa drzewa i drewna

W tym artykule przyjrzymy się zaledwie podstawowym właściwościom drewna, które postaram się przybliżyć nie tylko teoretycznie, ale przede wszystkim przełożyć na praktykę. Zainteresowanych bardziej szczegółową wiedzą, odsyłam na koniec tego artykułu, do bibliografii. Znajdują się tam książki i strony internetowe, które wg mnie stanowią bardzo wyczerpujące oraz przede wszystkim wiarygodne źródło wiedzy.

Zacznijmy zatem od tego, że przyjrzymy się drzewu, od którego wszystko się zaczyna. Trudno jest bowiem poznawać drewno jako materiał, w oderwaniu od wiedzy czym było, zanim stało się martwą kłodą.

Budowa pnia drzewa – przekrój poprzeczny

Każde drzewo, bez względu na gatunek, czy pochodzenie, składa się z tych samych elementów:

• KORA – to martwe komórki miazgi, stanowiące ochronny pancerz.
• MIAZGA – cienka warstwa komórek stanowiąca połączenie między drewnem a łykiem i wpływająca na ich powstawanie, element ten odpowiada za wzrost drzewa.
• DREWNO (KSYLEM) – stanowi największą część objętości pnia drzewa. Jest materiałem o niejednorodnej budowie, właściwościach i zabarwieniu.
• RDZEŃ – środek drzewa, wokół niego z każdym rokiem przyrastają kolejne słoje, mimo że cechuje go duża twardość, łatwo ulega pęknięciu i rozkładowi, dlatego nie stanowi on materiału przeznaczonego do dalszej obróbki.

Gatunki drewna pierścieniowonaczyniowe i rozpierzchłonaczyniowe

Zestawienie trzech podstawowych grup drewna w przekroju poprzecznym.
Zdjęcie pochodzi ze strony botanik.pl

W zależności od gatunku, a także warunków siedliskowych, słoje mogą być bardzo widoczne i łatwe do wyodrębnienia lub zlewać się ze sobą w jedną całość. Ze względu na charakter tych pierścieni, drzewa dzieli się na następujące grupy:

• Gatunki iglaste (sosna zwyczajna, świerk, jodła, modrzew)
  Drewno wczesne znacząco różni się od drewna późnego i stanowi większość przyrostu rocznego. Dlatego drewno tych gatunków jest stosunkowo miękkie i mało lub średnio wytrzymałe. W drewnie modrzewiowym bardzo duża różnica w gęstości drewna wczesnego i późnego bywa wręcz powodem problemów z obróbką.
  
• Gatunki liściaste pierścieniowonaczyniowe (dąb, wiąz, jesion, grochodrzew, kasztan jadalny)
  Drewno wczesne (posiadające duże widoczne gołym okiem naczynia ułożone w wyraźne pierścienie) znacząco różni się od drewna późnego, jednak zazwyczaj stanowi mniejszość przyrostu rocznego.
  Dlatego drewno tych gatunków charakteryzuje się w większości znaczną twardością i bardzo dużą wytrzymałością. Jednak taka struktura drewna niesie za sobą tendencję do strzępienia się podczas skrawania.
  
• Gatunki liściaste półpierścieniowonaczyniowe (orzech włoski, wiśnia, śliwa, czeremcha)
  W tych gatunkach pojawiają się widoczne gołym okiem naczynia, jednak nie układają się w charakterystyczny dla powyższej grupy pierścień.
  
• Gatunki liściaste rozpierzchłonaczyniowe (m.in. klon, kasztanowiec, olcha, brzoza, grab, buk, platan, topola osika, lipa)
  Drewno wczesne w niewielkim stopniu różni się od drewna późnego, a naczynia (niewidoczne gołym okiem) rozmieszczone są równomiernie na całej szerokości słoja. Zatem obróbka mechaniczna drewna rozpierzchłonaczyniowego wydaje się łatwiejsza, gdyż drewno na całym swoim przekroju poprzecznym charakteryzuje się bardzo zbliżonymi właściwościami mechanicznymi.
  Niektóre drzewa z tej grupy (lipa, brzoza, olcha, topola osika, grab) wykazują tak niewielkie zróżnicowanie pomiędzy drewnem wczesnym a późnym, że wręcz trudne staje się wyodrębnienie poszczególnych słojów rocznych.
  

Co to jest biel i twardziel

Wspomniałam już, że drewno to tkanka, która znajduje się pomiędzy rdzeniem a miazgą i przyrasta corocznie w formie charakterystycznych słojów. Jednak podczas życia drzewa w tkance drzewnej zachodzą pewne zmiany, które powodują, że w większości przypadków wewnętrzne starsze warstwy zlokalizowane bliżej rdzenia (tzw. twardziel) przestają spełniać funkcje fizjologiczne i przewodzić wodę, poprzestając na funkcji mechanicznej. W efekcie woda przewodzona jest tylko przez zewnętrzną część pnia (tzw. biel).

• BIEL – jego cechą charakterystyczną jest wysoka wilgotność, to on odpowiada za magazynowanie i transportowanie substancji odżywczych, niestety z powodu swoich właściwości jest najbardziej narażony na ataki technicznych szkodników drewna. Drewno bielu jest zazwyczaj jaśniejsze, mniej gęste i bardziej miękkie niż twardziel.
  Jeśli szukasz materiału wymagającego stabilności i trwałości, biel zdecydowanie odpada.
  
• TWARDZIEL – to najstarsza część pnia, stanowiąca najważniejszą cześć struktury nośnej drzewa. Umieszczona w centralnym punkcie pnia, składająca się z najstarszych słojów, pozbawiona porów, bardziej twarda, gęsta, sucha i zwykle ciemniejsza od bielu.
  Ze względu na swoją trwałość oraz dużą gęstość stanowi najbardziej pożądany rodzaj drewna.

Gatunki drewna bielaste i twardzielowe

Nie wszystkie jednak gatunki wytwarzają twardziel. Wiele drzew (np. brzoza, grab, klon) do końca swojego życia przewodzi wodę całą częścią pnia. W takich wypadkach drewno z całego drzewa ma przybliżone właściwości. Natomiast w przypadku gatunków wytwarzających twardziel sprawa się nieco komplikuje, gdyż u części z nich twardziel jest łatwa do wyodrębnienia gołym okiem, a u pozostałych twardziel nie różni się na pierwszy rzut oka od bielu, choć różnica w obróbce może być znacząca. Warto o tym wiedzieć, zamawiając np. drewno w tartaku.

• Gatunki o twardzieli zabarwionej (sosna, modrzew, dąb, orzech włoski, kasztan jadalny, topola czarna, wierzba, grochodrzew, cis)
  Stosunek szerokości bielu do twardzieli znacząco różni się w zależności od gatunku. Np. u sosny biel może liczyć kilkadziesiąt słojów i stanowić nawet połowę szerokości, a u cisa będzie to zaledwie 3-5 słojów. Przy czym linia rozgraniczająca biel i twardziel nie wiąże się z granicą jednego słoju.
  
• Gatunki o twardzieli niezabarwionej (świerk, jodła, lipa)
  Twardziel i biel różnią się nieznacznie wyłącznie w drewnie świeżo ściętym, później różnica całkowicie się zaciera. Twardziel jednak nadal wykazuje swoje pozostałe cechy fizyczne i mechaniczne.
  
• Gatunki o twardzieli zabarwionej i niezabarwionej (jesion, wiąz, wierzba iwa)
  Pomiędzy bielem i twardzielą występuje twardziel niezabarwiona.
  
• Gatunki bielaste (brzoza, olcha, grab, klon, kasztanowiec, topola osika, buk)
  W tym wypadku drzewo nie wykształca twardzieli, a przewodzenie odbywa się nieprzerwanie całą powierzchnią przekroju pnia. Aktywniejsza, przez co bardziej wilgotna, jest jednak zewnętrzna część bielu.
  

Zdarzają się również gatunki bielaste, które potrafią wykształcić fałszywą twardziel, która zaliczana jest do wad drewna.

Warto również zaznaczyć, że stosunek bielu do twardzieli zmienia się m.in. wraz z wiekiem drzewa. W wieku młodocianym drzewa posiadają wyłącznie biel. Twardziel wykształci się u niektórych z nich dopiero po przekroczeniu pewnego wieku, zazwyczaj kilkudziesięciu lat.

Fizyczne właściwości drewna

Jakie właściwie jest to drewno? Jasne, ciemne, gładkie, wzorzyste, twarde, czy miękkie? To właśnie są właściwości fizyczne drewna, które określają nam zarówno jego wygląd zewnętrzny, który wpływa na estetykę naszego projektu, jak i cechy wewnętrzne, które mówią nam dużo o tym, jak drewno będzie zachowywało się podczas obróbki i użytkowania.

Barwa i rysunek drewna

Każdy gatunek drewna charakteryzuje się specyficznym zabarwieniem, a dodatkowo drzewa o widocznej twardzieli posiadają różne zabarwienie w obrębie tego samego gatunku. Barwa ostateczna może zależeć od wielu czynników, m.in. siedliskowych. Warto też wiedzieć, że intensywność barwy słabnie w miarę wysychania.
Drewno może przybierać barwy od jasnożółtej – prawie białej (lipa, topola, brzoza), przez odcienie pomarańczu (świerk, olcha, buk), brązu (orzech włoski, dąb), do zupełnie ciemnych (heban).
Wśród gatunków egzotycznych można znaleźć także nietypowe barwy, takiej jak: różowa (drewno pink ivory), a także purpurowy (drewno amarant).

Natomiast rysunek drewna zależy od gatunku, rodzaju przekroju, a także od warunków wzrostu drzewa (szerokość słojów, ilość sęków itp.). W tym wypadku mamy również spore różnice pomiędzy poszczególnymi rodzajami drewna. Niektóre gatunki mają bardzo mało wyraźny rysunek (m.in. lipa, brzoza, buk), a część z nich wyjątkowo mocny i wyrazisty (np. orzech włoski, jesion, dąb). Ciekawy i nietypowy rysunek znaleźć można wśród egzotycznego drewna palmowego lub wężowego.

Gęstość (ciężar właściwy) drewna

Gęstość określa się, odnosząc masę do objętości drewna, wyrażając ją w kg/m3 lub g/cm3. Zależy ona m.in. od porowatości drewna, a także jego wilgotności, dlatego należy określać warunki jej pomiaru. Najczęściej gęstość podawana jest dla drewna suchego (tzw. stan powietrznosuchy- wilgotność na poziomie 15%). Znając gęstość, jesteśmy w stanie określić orientacyjnie m.in. stopień trudności obróbki danego gatunku, a także jego wytrzymałość.

Do najlżejszych gatunków należy m.in.: topola, lipa, olcha, kasztanowiec, sosna, świerk
Do gatunków umiarkowanie ciężkich: brzoza, orzech włoski, dąb, wiąz, klon, jesion, buk
Gatunki ciężkie: grab, cis, bukszpan
Gatunki bardzo ciężkie: heban, bocote, mopane, osage orange, pink ivory, amarant
Do najcięższych gatunków zaliczane jest drewno wężowe oraz drewno żelazne.

Inne właściwości fizyczne drewna to m.in.: wilgotność, mineralizacja, połysk, zapach, pęcznienie i kurczenie się, nasiąkliwość, a także właściwości cieplne, akustyczne i elektryczne.

Mechaniczne właściwości drewna

W wyniku oddziaływania sił zewnętrznych drewno podlega trwałej bądź przejściowej zmianie w swoim początkowym wymiarze i kształcie. W warunkach ekstremalnych dojść może nawet do całkowitego zniszczenia drewnianego elementu. Dlatego też, kiedy dobieramy drewno do naszego projektu, powinniśmy znać podstawowe właściwości mechaniczne danego gatunku, aby uniknąć niepotrzebnych problemów, czy to podczas obróbki, czy to po zakończeniu prac. Na właściwości mechaniczne wpływ ma m.in. wilgotność drewna, jego gęstość, stosunek drewna wczesnego do późnego oraz obecność ewentualnych wad. Znajomość tych zagadnień jest niezmiernie ważna szczególnie w przypadku drewna konstrukcyjnego, ale nie tylko.

Twardość drewna

Wydaje się, że do twardości przywiązujemy duże znaczenie. Dlaczego tak się dzieje? Otóż wpływa ona bezpośrednio na sposób obróbki tego materiału. Twarde gatunki drewna wymagają bardzo ostrych narzędzi, wykonanych z dobrej jakościowo stali. Gatunki miękkie wybaczą nam wiele i pozwolą obrabiać się nawet za pomocą narzędzi z tzw. niższej półki. Twardość mówi nam o tym, jak drewno opiera się siłom nacisku wywieranym na bardzo małą powierzchnię. Takie siły działają m.in. podczas cięcia, dłutowania, wbijania gwoździ.
Twardość zależy m.in. od gatunku, wieku drzewa, części pnia, z którego pochodzi i jest zazwyczaj większa na przekroju poprzecznym. Można także zauważyć zależność, że twardość rośnie wraz ze wzrostem gęstości drewna.

Sprężystość drewna

Sprężystość drewna to jego zdolność do odkształcania się pod wpływem obciążenia i powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu tego obciążenia. Innymi słowy, sprężystość drewna oznacza jego zdolność do elastycznego odkształcania się i powracania do swojego pierwotnego kształtu.
W kontekście drewna, sprężystość jest ważną cechą, ponieważ wpływa na jego wytrzymałość i możliwość dostosowywania się do obciążeń. Drewno jest materiałem, który wykazuje pewną sprężystość, ale ta cecha może się różnić w zależności od gatunku drewna, wilgotności, temperatury i innych czynników.

Plastyczność drewna

Plastyczność drewna odnosi się do jego zdolności do poddawania się trwałym odkształceniom i zatrzymywania nowego kształtu po zakończeniu procesu odkształcania. Oznacza to, że drewno może być gięte, formowane lub modelowane, a następnie zachowuje tę nową formę bez powracania do pierwotnego kształtu.
Procesy plastyczne drewna mogą być osiągane za pomocą różnych technik i metod, takich jak obróbka cieplna, które pomagają w zwiększeniu jego plastyczności. Plastyczność drewna jest ważna w wielu zastosowaniach, zwłaszcza w produkcji mebli, elementów wykończeniowych, oklein, łuków, oraz innych
Do gatunków znanych z dobrej plastyczności zaliczamy m.in. buk, jesion, dąb.

Inne właściwości mechaniczne drewna to m.in.: łupliwość, odporność na uderzenia (udarność), a także wytrzymałość na ściskanie, zginanie, rozciąganie i zmęczenie.

Drewno i jego zastosowanie

Czas na praktyczne zestawienie. Poniżej prezentujemy popularne gatunki drewna wraz ze wskazówkami, do jakiego typu obróbki będą one odpowiednie.

Jakie drewno dla rzeźbiarza?

Ze względu na ręczną obróbkę, drewno należy dostosować nie tylko do projektu, ale też do umiejętności użytkownika, a także narzędzi, które posiada. Z gatunków rodzimych poleca się m.in.:

• Lipa – najbardziej popularne drewno do rzeźbienia. Jest miękka, przez co łatwa w obróbce. Doskonała dla początkujących, nie wymaga super ostrych narzędzi. Sięgają po nią także profesjonaliści. Warto sięgać po drewno twardzielowe, szczególnie jeśli zależy nam na gładkim wykończeniu. Rozpierzchłonaczyniowa.
• Olcha – posiada bardzo zbliżone właściwości do lipy, choć jest odrobinę twardsza. Nie posiada twardzieli. Rozpierzchłonaczyniowa.
• Kasztanowiec – łatwy w obróbce, dość miękki i lekki. Nie posiada twardzieli. Rozpierzchłonaczyniowy.
• Brzoza – średnio twarda i umiarkowanie ciężka. Nie posiada twardzieli. Rozpierzchłonaczyniowa.
• Orzech włoski – średnio twardy. Cenna szczególnie twardziel ze względu na piękny rysunek drewna i czekoladową barwę. Półpierścieniowonaczyniowy.

Rzeźbić można także w innych twardszych gatunkach: klonie, dębie, drzewach owocowych. Niektórzy artyści i rzemieślnicy twierdzą, że nie ma gatunków drewna, które nie nadają się do rzeźbienia. Łatwiej jednak będzie rzeźbić w gatunkach liściastych, szczególnie rozpierzchłonaczyniowych, ze względu na jednorodną strukturę. Drewno o dużej gęstości będzie też lepsze do rzeźbienia drobnych elementów.

Przeczytaj artykuł pt. “Drewno lipowe – właściwości i zastosowanie”, a dowiesz się wielu cennych informacji na temat drewna lipowego!

Jakie drewno dla stolarza?

Drewno dla stolarza zależy od rodzaju projektu, który stolarz zamierza wykonać. Jak już wiemy, różne gatunki drewna mają różne cechy, takie jak wytrzymałość, wybarwienie, plastyczność i łatwość obróbki, dlatego wybór odpowiedniego drewna jest kluczowy. Oto kilka popularnych gatunków drewna używanych przez stolarzy w zależności od ich potrzeb:

• Dąb – jest ceniony za swoją wytrzymałość i stabilność. Jest doskonałym wyborem do produkcji mebli, stołów, krzeseł i innych elementów o dużej trwałości.
• Jesion – ma dobrą plastyczność, co sprawia, że jest idealny do wyrobu krzeseł, stołów, ławek i innych projektów meblarskich.
• Buk – ma doskonałą zdolność do gięcia, co czyni je idealnym do produkcji mebli giętych, takich jak krzesła bujane.
• Sosna – jest lekka i łatwa w obróbce. Jest często używana do wykonywania konstrukcji ramowych, schodów, a także mebli.
• Orzech włoski – jest ceniony za swoje piękne, ciemne wybarwienie i jest często używany do produkcji luksusowych mebli.

Jakie drewno dla tokarza?

Oto kilka popularnych gatunków drewna, które są często używane przez tokarzy:

• Buk – twardy, gęsty i wytrzymały, idealnie nadaje się do toczenia.
• Brzoza – umiarkowanie twarda i gęsta. Jej atutem bywa kora, która może stanowić dekoracyjny brzeg toczonych mis.
• Dąb – łatwy do obróbki na tokarkach, dzięki dużej zawartości garbników łatwo poddać go tzw. ebonizacji.
• Drewno drzew owocowych: czereśnia, jabłoń, grusza, śliwa – bardzo ciekawe ze względu na piękne usłojenie.
• Drewno egzotyczne: heban, readheart, amarant, pink ivory, osage orange, mopane, mutenye, bocote, drewno żelazne, drewno wężowe, drewno oliwkowe – nietypowe i wyjątkowo piękne gatunki, doskonale sprawdzą m.in. do toczenia drobnych elementów galanteryjnych.

Do toczenia wykorzystuje się również wiele innych gatunków, takich jak: klon, jesion, wiąz, grochodrzew, platan, a a nawet topolę, czy lipę. Często sięga się też po tzw. czeczotę, która jest w sumie wadą drewna. Ta deformacja pnia powoduje zdecydowany wzrost atrakcyjności rysunku drewna. Czeczota występuje głównie na gatunkach liściastych, takich jak: lipa, jesion, topola, brzoza.

O drewnie mogłabym pisać bez końca i pewnie i tak nie wyczerpałabym tematu :-). Fascynujące w tym materiale jest dla mnie to, że nawet kiedy wydaje mi się, że wiem już o nim całkiem sporo, to i tak za każdym razem obrabiając je, znowu się czegoś uczę. To niekończąca się dawka wiedzy, którą za każdym razem okraszam dawką pokory. Tak, to ważne, bo drewno potrafi zaskakiwać nawet największych znawców! I ta nieprzewidywalność jest właśnie cudowna.

Uczcie się zatem o drewnie z książek, ale doświadczajcie tego materiału również pod palcami. Dotykajcie, oglądajcie, wąchajcie. Bo tylko w ten sposób jesteście w stanie poznać i docenić jego piękno.

---

Źródła:

Krzysik F., Nauka o drewnie, PWN, Warszawa 1975
Godet J-D., Atlas drewna, MULTICO Oficyna Wydawnicza, Warszawa 2008
Vigue J., Prace w drewnie, Wydawnictwo ARKADY, Warszawa 2010
Talarkiewicz W., Określanie właściwości drewna, MEN, Radom 2007
https://www.encyklopedia.lasypolskie.pl/ (dostęp: 29.09.20023).
https://www.wood-database.com/ (dostęp: 29.09.20023).

---

Autorka tekstu:
Agnieszka Baraniok-Lipińska

Od ponad 20 lat prowadzę sklep specjalizujący się w sprzedaży narzędzi do ręcznej pracy w drewnie. Jednak nie tylko sprzedaję te narzędzia, ale przede wszystkim sama ich używam! Choć w swoim warsztacie spędzam długie godziny, gdzie rzeźbię, strugam, szlifuję, wiercę, piłuję, to nadal uważam, że jestem dopiero na początku swojej przygody z drewnem.
Dzięki tej praktyce o narzędziach wiem prawie wszystko, ale przede wszystkim rozumiem potrzeby klientów, szczególnie tych, którzy tak jak ja dopiero się uczą.
Kilka lat temu wpadłam na pomysł Samouczków Rzeźbiarskich – zestawów do samodzielnej nauki rzeźbienia i strugania drewna. W 2021 roku stworzyłam mój pierwszy autorski projekt: serię Samouczek drewniana łyżka, który podbił serca naszych klientów. Obecnie pracuję już nad kolejną serią.